Stråla ner det

I yttre rymden skiner alltid solen starkt. Inga moln blockerar solstrålarna, och det finns ingen natt. Solfångare monterade på en satellit som kretsar runt skulle alltså generera ström 24 timmar om dygnet, 365 dagar om året. Om denna kraft kunde förmedlas till jorden, skulle världens energiproblem kunna lösas för alltid.

Solenergisatelliter (SPS) föreslogs ursprungligen som en lösning på oljekriserna på 1970-talet av den tjeckisk-amerikanske ingenjören Peter Glaser, då på Arthur D. Little. Glaser föreställde sig 50 kvadratkilometer arrayer av solceller utplacerade på satelliter som kretsar 36 000 kilometer över fasta punkter längs ekvatorn. En satellit på den geosynkrona höjden tar 24 timmar att kretsa runt jorden och förblir därför fixerad över samma punkt på jorden hela tiden.

Idén var elegant. Fotovoltaiska celler på en satellit skulle omvandla solljus till elektrisk ström, vilket i sin tur skulle driva en inbyggd mikrovågsgenerator. Mikrovågsstrålen skulle färdas genom rymden och atmosfären. På marken skulle en uppsättning likriktande antenner, eller rektenner, samla dessa mikrovågor och utvinna elektrisk kraft, antingen för lokalt bruk eller för distribution genom konventionella elnät.

Tekniken, som ursprungligen föreställdes, utgjorde skrämmande tekniska hinder. För att effektivt överföra elektrisk kraft från en satellit i geosynkron omloppsbana skulle det krävas en sändarantenn ombord på satelliten som är cirka en kilometer i diameter och en mottagande antenn på marken med en diameter på cirka 10 kilometer. Ett projekt av denna skala förbryllar sinnet; statliga finansiärer undvek att investera enorma summor i ett projekt vars lönsamhet var så oklar. NASA och Department of Energy, som hade sponsrat preliminära designstudier, tappade intresset i slutet av 1970-talet.

Under de senaste åren har dock kommunikationsindustrin annonserat satellitprojekt som tyder på att det är dags att se över idén om solenergisatellit. I början av nästa århundrade kommer svärmar av kommunikationssatelliter att kretsa runt jorden på låg höjd och vidarebefordra röst, video och data till de mest avlägsna platserna på jorden. Dessa satelliter kommer att vidarebefordra kommunikationssignaler till jorden på strålar av mikrovågor. Överföringen av elektrisk kraft med en mikrovågsstråle demonstrerades redan 1963, och projicering av effekt och data längs samma mikrovågsstråle är väl inom teknikens ståndpunkt. Varför inte använda samma stråle för att bära elkraft?

De nya kommunikationssatelliterna kommer att kretsa på en höjd av bara några hundra mil. Istället för att sväva över en plats på ekvatorn, svävar satelliter med låg omloppsbana runt jorden på så lite som 90 minuter, spårar banor som pendlar runt ekvatorn, stiger och sjunker så många som 86 grader av latitud. Eftersom de är närmare jordens yta kan solfångarna på satelliten vara några hundra meter tvärs över snarare än 10 kilometer. Och eftersom mikrovågsstrålarna de genererar skulle spridas ut mycket mindre än de från geosynkrona satelliter, kan markrektennorna vara motsvarande mindre och billigare också. Genom att hoppa på dessa flottor av kommunikationssatelliter – och dra fördel av deras mikrovågssändare och mottagare, markstationer och styrsystem – kan solenergiteknik bli ekonomiskt lönsam.

Låg jordomloppsbana utgör dock sina egna svårigheter. Eftersom de piskar runt planeten så snabbt måste satelliter i låg omloppsbana ha sofistikerade datorstyrda system för att justera målet för mikrovågsstrålen så att den landar vid mottagningsstationen. Dessa satelliter kommer att behöva använda sofistikerade elektroniska system, kallade phased arrays, för att kontinuerligt rikta om den utgående strålen.

Energi för utveckling

Efterfrågan på rymdbaserad solenergi kan vara extraordinär. År 2050, enligt vissa uppskattningar, kommer 10 miljarder människor att bo i världen - mer än 85 procent av dem i utvecklingsländer. Den stora frågan: Hur kan vi bäst försörja mänsklighetens växande energibehov med minsta möjliga negativa påverkan på miljön?

Letar du efter en billig lansering

En viktig faktor vid planering av rymdkraft är kostnaden för att sätta en satellit i omloppsbana. Just nu kostar det tusen gånger mer att sätta ett föremål i rymden än att flyga det över landet med ett kommersiellt flygplan, även om de två jobben kräver ungefär samma mängd energi - cirka 10 kilowattimmar per kilo nyttolast. Två faktorer står för den extra kostnaden: armén av ingenjörer och forskare som krävs för en framgångsrik rymduppskjutning, och bruket att kassera mycket av bärraketen efter varje flygning.

Uppskjutningskostnaderna kommer dock sannolikt att sjunka, eftersom efterfrågan ökar för att regelbundet lyfta upp stora volymer material i rymden: ju oftare ett uppskjutningssystem används, desto lägre blir kostnaden per användning. Dessutom söker NASA en ny generation återanvändbara bärraketer. Byrån sponsrade nyligen en tävling bland flygentreprenörer om ett rymdfarkost med potential för flygbolagsliknande drift. Vinnaren var Lockheed Martin Skunk Works, legendariska innovatörer inom flygplansdesign från U-2 till Stealth fighter. Lockheed Martin planerar att bygga och testa den kilformade återanvändbara X-33 på 1 miljard dollar - en version av en halv storlek och en åttondels massa av en bärraket kallad Venture Star som skulle ersätta rymdfärjan för att transportera last i låg omloppsbana. Målet för lanseringskostnaden är $2 200 per kilogram-en tiondel av en skytteluppskjutning. Till det priset kan rymdkraft bli kostnadseffektiv om satelliter drar dubbelt arbete som kommunikationsreläer och solenergikällor.

En solenergisatellit bör snabbt betala tillbaka den energi som behövs för att sätta den i omloppsbana. Börja med det konservativa antagandet att satellitteknik för solenergi skulle producera 0,1 kilowatt el på marken per kilogram massa i omloppsbana. I så fall skulle energiförbrukningen på 10 kilowattimmar per kilogram för att lyfta satelliten i omloppsbana återbetalas i el efter bara 100 timmar – mindre än fem dagar.
Ett sätt att hålla nere lanseringskostnaderna är att använda en uppblåsbar struktur som solfångare. Att göra det skulle maximera uppsamlarens yta - viktigt för att samla in den största mängden solenergi - utan att lägga en större viktbelastning på bärraketen. Tömda solfångare skulle kunna vikas till ett kompakt utrymme ombord på rymdfarkosten; en gång i omloppsbana skulle gas från en trycksatt behållare blåsa upp strukturen.

Ballonger i rymden är en gammal historia. Faktum är att 1960-årssatelliten känd som Echo I var en ballong som användes för att studsa radiovågor tillbaka till jorden. NASA studerar nu genomförbarheten av uppblåsbara strukturer i rymden för antenner, solskydd och solpaneler, men inte uttryckligen för satellitsystem för solenergi. En viktig experimentell milstolpe var den framgångsrika utplaceringen av rymdfärjan Endeavour-astronauter i maj 1996 av Spartan Inflatable Antenna Experiment - en 14-meters antenn som blåsts upp av en kvävgasbehållare i omloppsbana.

Det är inte ett så stort steg från ett sådant experiment till en soluppsamlande satellit som skulle kunna monteras i omloppsbana från uppblåsta segment. Om NASA skulle göra forskning om uppblåsbara rymdstrukturer till en hög prioritet, skulle kunskapsbasen för att göra kostnadseffektiva lågmasskraftsatelliter kunna utvecklas snabbt.

Ett steg i taget

Till en början skulle solenergin som förmedlas från rymden endast användas för att tillhandahålla den minimala elektriska kraft som behövs för att driva elektroniken i den mottagande stationen på marken - ungefär som linjeströmmen driver konventionella telefoner. I slutändan skulle satelliterna stråla ner större mängder kraft, vilket skulle kunna ge de megawatt elektricitet som skulle bidra väsentligt till att driva en by eller till och med en stad.

Att skala upp till högre effektnivåer skulle vara okomplicerat, vilket helt enkelt innebär utplacering av en större mängd soluppsamlingsområde i rymden. Kraften skulle överföras genom den infrastruktur av sändare och mottagare som då kommer att finnas på plats för satellitkommunikationssystemen. I detta avseende har mikrovågsöverföring en avgörande fördel jämfört med konventionella kabelmetoder för att överföra effekt. Ett mikrovågssystem som är 80 procent effektivt på att skicka 1 kilowatt kommer fortfarande att vara 80 procent effektivt på att skicka 1 megawatt. Detta skiljer sig fundamentalt från en elledning, där du behöver tjockare och dyrare ledningar för att bära mer kraft. Om för mycket ström dras genom en kabel kommer den att smälta isoleringen.

Vissa fruktar att ett nätverk av solenergisatelliter skulle kunna förvandla atmosfären till en enda stor mikrovågsugn och laga allt som vandrar in i strålens väg. I verkligheten skulle mikrovågsintensiteterna som vi föreslår vara storleksordningar under tröskeln vid vilken föremål börjar värmas upp. Människor skulle utsättas för mikrovågsnivåer jämförbara med mikrovågsugnar och mobiltelefoner. Medan vissa kritiker spekulerar i att mikrovågor utgör icke-termiska hot mot människors hälsa, finns det inga tillförlitliga epidemiologiska bevis för negativa effekter från mikrovågor vid dessa låga nivåer. Högre nivåer av mikrovågsstrålning skulle finnas vid rektennorna som strålarna är fokuserade på, men staket och varningsskyltar kan avgränsa dessa områden med möjlig fara. Men enligt våra beräkningar skulle mikrovågsintensiteter även vid rektennas omkrets falla inom det intervall som nu anses vara säkert av arbetarskyddsförvaltningen.

Ett större potentiellt problem är att dela de begränsade frekvenserna i mikrovågsspektrat. Motorola har till exempel hamnat i brand för att dess planerade system kommer att använda frekvenser i intervallet 1,616 till 1,626 gigahertz, vilket nästan överlappar frekvensen på 1,612 gigahertz som astrofysiker ställer in sig på när de samlar in data om kosmos. Radioastronomer oroar sig för att störningar från en solenergisatellit kommer att överväldiga de jämförelsevis svaga signaler som de försöker upptäcka. Motorola lovar att begränsa spridningen av sina kommunikationsstrålar till radioastronomernas frekvensnisch, men problemet understryker det faktum att mikrovågsspektrumet är en begränsad resurs som svartsjukt bevakas av både kommersiella och ideella användare. Allokering av spektrumet måste åtgärdas snabbt och effektivt för att undvika att rymdkraftstekniken försvinner innan den föds.

Huruvida solenergisatelliter blir verklighet kommer i slutändan att bero på telekommunikations- och elbolagens vilja att gå in i rymdkraftsbranschen. Hittills har ingen av branschen visat stort intresse. Men då är de för det mesta omedvetna om de kommersiella möjligheterna. Man måste veta att det finns ett alternativ för att välja det. För 30 år sedan var kommunikationssatelliter en nyhet. För tio år sedan hade ingen hört talas om internet.

Vad som är säkert är att den nuvarande pressen för avreglering har lett till en kamp från telekommunikations-, dator-, kabel-TV- och allmännyttiga industrier att ta sig in på varandras marknader. Vissa elbolag vill gå in i telekommunikationsbranschen som ett sätt att dra nytta av den enorma investering i tråd och kabel som når praktiskt taget alla byggnader i landet. Det är lika vettigt att föreslå att kommunikationsföretag går in i kraftbranschen. I praktiken kan konsortier av kraft- och kommunikationsföretag utveckla den föreslagna tekniken tillsammans.

Ingen enskild del av denna teknik utgör en grundläggande stötesten. Fysiken för fotovoltaiska celler och mikrovågsgenerering är väl förstått. För att gå vidare till nästa steg kommer det dock att krävas en demonstration av att alla delar av detta system kan samarbeta: solpanelerna, mikrovågsantennerna med fasad array, mottagningsstationerna som separerar datasignalerna från kraftstrålarna, och datorer som talar om för satelliterna var på marken de ska rikta strålarna. NASA skulle kunna påskynda denna utveckling enormt genom att placera en prototyp av en solenergisatellit i omloppsbana.

Fördelarna är för stora för att gå ifrån. Ett nätverk av solenergisatelliter som det vi föreslår skulle kunna förse jorden med 10 till 30 biljoner watt elektrisk kraft - tillräckligt för att tillfredsställa mänsklighetens behov under nästa århundrade. Solenergisatelliter erbjuder därför en vision där energiproduktionen flyttar från jordens yta, vilket gör att alla kan leva på en grönare planet. Tänk på de filosofiska implikationerna: mänskligheten behöver inte längre se sig fången på rymdskeppet jorden med begränsade resurser. Vi skulle kunna utnyttja rymdens gränslösa resurser, med planeten bevarad som en ovärderlig resurs för biologisk mångfald.

Dölj